数字信号处理论文范文

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另外一类是需要用复杂算法对大量数据进行处理的应用，例如声纳探测和地震探测等，也需要用DSP器件。该类设备的批量一般较小、算法要求苛刻、产品很大而且很复杂。所以设计工程师在选择处理器时会尽量选择性能最佳、易于开发并支持多处理器的DSP器件。有时，设计工程师更喜欢选用现成的开发板来开发系统而不是从零开始硬件和软件设计，同时可以采用现成的功能库文件开发应用软件。

在实际设计时应根据具体的应用选择合适的DSP。不同的DSP有不同的特点，适用于不同的应用，在选择时可以遵循以下要点。

算法格式

DSP的算法有多种。绝大多数的DSP处理器使用定点算法，数字表示为整数或-1.0到+1.0之间的小数形式。有些处理器采用浮点算法，数据表示成尾数加指数的形式：尾数×2指数。

浮点算法是一种较复杂的常规算法，利用浮点数据可以实现大的数据动态范围(这个动态范围可以用最大和最小数的比值来表示)。浮点DSP在应用中，设计工程师不用关心动态范围和精度一类的问题。浮点DSP比定点DSP更容易编程，但是成本和功耗高。

由于成本和功耗的原因，一般批量产品选用定点DSP。编程和算法设计人员通过分析或仿真来确定所需要的动态范围和精度。如果要求易于开发，而且动态范围很宽、精度很高，可以考虑采用浮点DSP。

也可以在采用定点DSP的条件下由软件实现浮点计算，但是这样的软件程序会占用大量处理器时间，因而很少使用。有效的办法是“块浮点”，利用该方法将具有相同指数，而尾数不同的一组数据作为数据块进行处理。“块浮点”处理通常用软件来实现。

数据宽度

所有浮点DSP的字宽为32位，而定点DSP的字宽一般为16位，也有24位和20位的DSP，如摩托罗拉的DSP563XX系列和Zoran公司的ZR3800X系列。由于字宽与DSP的外部尺寸、管脚数量以及需要的存储器的大小等有很大的关系，所以字宽的长短直接影响到器件的成本。字宽越宽则尺寸越大，管脚越多，存储器要求也越大，成本相应地增大。在满足设计要求的条件下，要尽量选用小字宽的DSP以减小成本。

在关于定点和浮点的选择时，可以权衡字宽和开发复杂度之间的关系。例如，通过将指令组合连用，一个16位字宽的DSP器件也可以实现32位字宽双精度算法(当然双精度算法比单精度算法慢得多)。如果单精度能满足绝大多数的计算要求，而仅少量代码需要双精度，这种方法也可行，但如果大多数的计算要求精度很高，则需要选用较大字宽的处理器。

请注意，绝大多数DSP器件的指令字和数据字的宽度一样，也有一些不一样，如ADI(模拟器件公司)的ADSP-21XX系列的数据字为16位而指令字为24位。

DSP的速度

处理器是否符合设计要求,关键在于是否满足速度要求。测试处理器的速度有很多方法，最基本的是测量处理器的指令周期，即处理器执行最快指令所需要的时间。指令周期的倒数除以一百万，再乘以每个周期执行的指令数，结果即为处理器的最高速率，单位为每秒百万条指令MIPS。

但是指令执行时间并不能表明处理器的真正性能，不同的处理器在单个指令完成的任务量不一样，单纯地比较指令执行时间并不能公正地区别性能的差异。现在一些新的DSP采用超长指令字(VLIW)架构，在这种架构中，单个周期时间内可以实现多条指令，而每个指令所实现的任务比传统DSP少，因此相对VLIW和通用DSP器件而言，比较MIPS的大小时会产生误导作用。

即使在传统DSP之间比较MIPS大小也具有一定的片面性。例如，某些处理器允许在单个指令中同时对几位一起进行移位，而有些DSP的一个指令只能对单个数据位移位；有些DSP可以进行与正在执行的ALU指令无关的数据的并行处理(在执行指令的同时加载操作数)，而另外有些DSP只能支持与正在执行的ALU指令有关的数据并行处理；有些新的DSP允许在单个指令内定义两个MAC。因此仅仅进行MIPS比较并不能准确得出处理器的性能。

解决上述问题的方法之一是采用一个基本的操作(而不是指令)作为标准来比较处理器的性能。常用到的是MAC操作，但是MAC操作时间不能提供比较DSP性能差异的足够信息，在绝大多数DSP中，MAC操作仅在单个指令周期内实现，其MAC时间等于指令周期时间，如上所述，某些DSP在单个MAC周期内处理的任务比其它DSP多。MAC时间并不能反映诸如循环操作等的性能，而这种操作在所有的应用中都会用到。

最通用的办法是定义一套标准例程，比较在不同DSP上的执行速度。这种例程可能是一个算法的“核心”功能，如FIR或IIR滤波器等，也可以是整个或部分应用程序(如语音编码器)。图1为使用BDTI公司的工具测试的几款DSP器件性能。

在比较DSP处理器的速度时要注意其所标榜的MOPS(百万次操作每秒)和MFLOPS(百万次浮点操作每秒)参数，因为不同的厂商对“操作”的理解不一样，指标的意义也不一样。例如，某些处理器能同时进行浮点乘法操作和浮点加法操作，因而标榜其产品的MFLOPS为MIPS的两倍。

其次，在比较处理器时钟速率时，DSP的输入时钟可能与其指令速率一样，也可能是指令速率的两倍到四倍，不同的处理器可能不一样。另外，许多DSP具有时钟倍频器或锁相环，可以使用外部低频时钟产生片上所需的高频时钟信号。

存储器管理

DSP的性能受其对存储器子系统的管理能力的影响。如前所述，MAC和其它一些信号处理功能是DSP器件信号处理的基本能力，快速MAC执行能力要求在每个指令周期从存储器读取一个指令字和两个数据字。有多种方法实现这种读取，包括多接口存储器(允许在每个指令周期内对存储器多次访问)、分离指令和数据存储器(“哈佛”结构及其派生类)以及指令缓存(允许从缓存读取指令而不是存储器，从而将存储器空闲出来用作数据读取)。图2和图3显示了哈佛存储器结构与很多微控制器采用的“冯·诺曼”结构的差别。

另外要注意所支持的存储器空间的大小。许多定点DSP的主要目标市场是嵌入式应用系统，在这种应用中存储器一般较小，所以这种DSP器件具有小到中等片上存储器(4K到64K字左右)，备有窄的外部数据总线。另外，绝大多数定点DSP的地址总线小于或等于16位，因而可外接的存储器空间受到限制。一些浮点DSP的片上存储器很小，甚至没有，但外部数据总线宽。例如TI公司的TMS320C30只有6K片上存储器，外部总线为24位，13位外部地址总线。而ADI的ADSP2-21060具有4Mb的片上存储器，可以多种方式划分为程序存储器和数据存储器。

选择DSP时，需要根据具体应用对存储空间大小以及对外部总线的要求来选择。

开发的简便性

对不同的应用来说，对开发简便性的要求不一样。对于研究和样机的开发，一般要求系统工具能便于开发。而如果公司在开发下一代手机产品，成本是最重要的因素，只要能降低最终产品的成本，一般他们愿意承受很烦琐的开发，采用复杂的开发工具(当然如果大大延迟了产品上市的时间则是另一回事)。

因此选择DSP时需要考虑的因素有软件开发工具(包括汇编、链接、仿真、调试、编译、代码库以及实时操作系统等部分)、硬件工具(开发板和仿真机)和高级工具(例如基于框图的代码生成环境)。利用这些工具的设计过程如图4所示。

选择DSP器件时常有如何实现编程的问题。一般设计工程师选择汇编语言或高级语言(如C或Ada)，或两者相结合的办法。现在大部分的DSP程序采用汇编语言，由于编译器产生的汇编代码一般未经最优化，需要手动进行程序优化，降低程序代码大小和使流程更合理，进一步加快程序的执行速度。这样的工作对于消费类电子产品很有意义，因为通过代码的优化能弥补DSP性能的不足。

使用高级语言编译器的设计工程师会发现，浮点DSP编译器的执行效果比定点DSP好，这有几个原因：首先，多数的高级语言本身并不支持小数算法；其次，浮点处理器一般比定点处理器具有更规则的指令，指令限制少，更适合编译器处理；第三，由于浮点处理器支持更大的存储器，能提供足够的空间。编译器产生的代码一般比手动生成的代码更大。

不管是用高级语言还是汇编语言实现编程，都必须注意调试和硬件仿真工具的使用，因为很大一部分的开发时间会花在这里。几乎所有的生产商都提供指令集仿真器，在硬件完成之前，采用指令集仿真器对软件调试很有帮助。如果所用的是高级语言，对高级语言调试器功能进行评估很重要，包括能否与模拟机和/或硬件仿真器一起运行等性能。

大多数DSP销售商提供硬件仿真工具，现在许多处理器具有片上调试/仿真功能，通过采用IEEE1149.1JTAG标准的串行接口访问。该串行接口允许基于扫描的仿真，即程序员通过该接口加载断点，然后通过扫描处理器内部寄存器来查看处理器到达断点后寄存器的内容并进行修改。

很多的生产商都可以提供现成的DSP开发系统板。在硬件没有开发完成之前可用开发板实现软件实时运行调试，这样可以提高最终产品的可制造性。对于一些小批量系统甚至可以用开发板作为最终产品电路板。

支持多处理器

在某些数据计算量很大的应用中，经常要求使用多个DSP处理器。在这种情况下，多处理器互连和互连性能(关于相互间通信流量、开销和时间延迟)成为重要的考虑因素。如ADI的ADSP-2106X系列提供了简化多处理器系统设计的专用硬件。

电源管理和功耗

DSP器件越来越多地应用在便携式产品中，在这些应用中功耗是一个重要的考虑因素，因而DSP生产商尽量在产品内部加入电源管理并降低工作电压以减小系统的功耗。在某些DSP器件中的电源管理功能包括：a.降低工作电压：许多生产商提供低电压DSP版本(3.3V,2.5V,或1.8V)，这种处理器在相同的时钟下功耗远远低于5V供电的同类产品。

b.“休眠”或“空闲”模式：绝大多数处理器具有关断处理器部分时钟的功能，降低功耗。在某些情况下，非屏蔽的中断信号可以将处理器从“休眠”模式下恢复，而在另外一些情况下，只有设定的几个外部中断才能唤醒处理器。有些处理器可以提供不同省电功能和时延的多个“休眠”模式。

c.可编程时钟分频器：某些DSP允许在软件控制下改变处理器时钟，以便在某个特定任务时使用最低时钟频率来降低功耗。

d.控制：一些DSP器件允许程序停止系统未用到的电路的工作。

不管电源管理特性怎么样，设计工程师要获得优秀的省电设计很困难，因为DSP的功耗随所执行的指令不同而不同。多数生产商所提供的功耗指标为典型值或最大值，而TI公司给出的指标是一个例外，该公司的应用实例中详细地说明了在执行不同指令和不同配置下的功耗。

成本因素

在满足设计要求条件下要尽量使用低成本DSP，即使这种DSP编程难度很大而且灵活性差。在处理器系列中，越便宜的处理器功能越少，片上存储器也越小，性能也比价格高的处理器差。

封装不同的DSP器件价格也存在差别。例如，PQFP和TQFP封装比PGA封装便宜得多。

在考虑到成本时要切记两点。首先，处理器的价格在持续下跌；第二点，价格还依赖于批量，如10,000片的单价可能会比1,000片的单价便宜很多。

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关键词：数字信号；信号处理；DSP

1．数字信号处理的概念

数字信号处理是用数字计算机对离散信号或将模拟信号离散化后进行处理的现代信号处理技术，自身有其独特的计算方法和理论。数字信号处理是当前发展相当迅速的一种技术，无线通讯，多媒体技术，网络等都是基于数字信号处理算法的。

数字信号处理器(DSP)是为进行数字信号处理而设计的微处理器。数字信号处理器是同数字信号处理技术一同发展起来的。它针对数字信号处理的应用采用了专用的硬件设计结构。

微处理器的发展经历了单板计算机、单片计算机的历程，DSP则是一种高性能的片上微计算机系统。它除了利用大量的新技术、新结构来大幅度改善芯片性能外，还把内存、接口、外设、事件管理器等集成在一个芯片上，成为一个功能强大的片上系统（SOC）。DSP的产生和发展，得益于数字信号处理理论及计算机、电子技术的飞速进步。

2．数字信号处理器模拟的实现

计算机系统本身是一个非常复杂的系统，要使用软件来模拟每个晶体管或每个门电路各个方面的行为特征几乎是不可能的。人们简化系统复杂程度的常用办法是对系统按层次进行抽象，体系结构就是对计算机系统在结构层次上的简化。然而，体系结构层次上的计算机系统依然很复杂，开发其软件模拟器也因此而十分困难。通常的做法是，在已存在的模拟器基础上进行二次开发或改进，使其适应自己的要求。

在任何数字信号处理中，当涉及硬件实现时，都会遇到一个很普遍的问题：一般要处理的原始信号序列长度是非常长的，但受物理设备条件所限，每次(比如一个时钟周期内)输入给数字信号处理相关硬件(如DSP)的必定是有限长度的采样后的数字序列，也就是说要对原有长序列进行一次截断。显然，截断后的短序列相比于原有未截断的长序列的信号属性必然要发生变化。比如截取高斯白噪声的一段，其截断后的序列的均值和方差等统计特性相对于原有白噪声序列肯定会有变化。这种由于截断而引起的序列性能下降显然会导致后续的DSP等硬件设备中数字信号处理性能的下降。

3．DSP硬件结构分析

在当前信息化、数字化进程中，信号作为信息的传输和处理对象，逐渐由模拟信号变成数字信号。信息化的基础是数字化，而数字化的核心技术之一就是数字信号处理。数字信号处理技术已成为人们日益关注的并得到迅速发展的前沿技术。DSP作为一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，凭借其独特的硬件结构和出色的数字信号处理能力，广泛应用于通讯、语言识别、图像处理、自动控制等领域。

3.1 DSP的主要特点及其硬件要求

数字信号处理是指将模拟信号通过采样进行数字化后的信号进行分析、处理、它侧重于理论、算法及软件实现。数字信号处理算法具有如下一些主要的特点：信号处理算法运算量大，要求速度快；信号处理算法通常需要执行大量的乘累加运算；信号处理算法常具有某些特定模式；信号处理算法大部分处理时间花在执行相对小循环的操作上；信号处理要求专门的接口。

从一开始，DSP的结构就是针对DSP算法模型进行构造的，几乎所有的DSP都包含有DSP算法的特征。因此，数字信号处理的上述特点要求DSP必须是专门设计的。

3.2多总线，多处理单元结构

DSP芯片采用了哈佛结构，它分别设置程序存储和数据存储空间，使用专用的程序总线和地址总线。CPU可以同时访问程序和数据，大大提高了处理速度。所谓的改进哈佛结构，体现在如下几点：

1）允许数据存放在程序存储器中，并可以被算术指令直接使用。但程序和数据不能同时读取，多数访问存储器的指令需要两个执行周期。

2）将指令存储在高速缓存中，无须从数据/程序存储器读取，可以节约一个指令周期。

3）改进存储器块结构，允许在一个周期内同时读取一条指令和两个操作数。

使用两类（程序总线、数据总线）六组总线。包括程序地址总线、程序读总线、数据写地址总线、数据读地址总线、数据写总线、数据读总线。配合哈佛机构，大大提高了系统速度。

DSP内部一般都包括多个处理单元，如ALU、乘法器、辅助算术单元等。它们都可在单独的一个指令周期内执行完计算和操作任务，而且往往同时完成。这种结构特别适合于滤波器的设计，如FIR和IIR。这种多处理单元结构还表现为在将一些特殊的算法作成硬件，如典型的FFT的位翻转寻址和流水FIR滤波算法的循环寻址等。而且大部分DSP具有零消耗循环控制的专门硬件，使得处理器不用花时间测试循环计数器的值就能执行一组指令的循环，硬件完成循环跳转和循环计数器的衰减。

3.4 DSP结构改进

过去的DSP结构设计主要是面向计算密集型的应用，而对控制密集型支持得不够。而现实应用中很多场合需要信号处理和精确控制的有效结合，如数字蜂窝电话，它要有监控和语言音处理的工作。现代的DSP将采用DSP／MCU的混合结构，在保证计算能力优先的前提下，通过快速的现场切换、多执行部件并行执行等方式，加强控制类操作的处理能力。将MCU核集成到DSP核中，或者从整体上对DSP进行重新设计，使之兼有DSP和MCU的功能。

另外，为解决速度、功耗、可编程之间的矛盾，我们提出了一种新型的计算方式，它结合了现有微处理器和DSP的时间计算方式以及ASIC、FPGA解决方案的空间计算方式。这种可重构DSP处理器的关键是它能同时进行时间和空间计算。它由一个计算元件互相连接的二维阵列构成，每个阵列都有各自的逻辑单元和本地寄存器。连接这些计算元件的可编程连线借以对阵列的数据流架构动态重构，从而可根据运行的具体任务而对其进行优化。

参考文献：

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论文摘要：信号是传递信息的媒介，信号处理涉及信息的提取。

随着集成电路的运算速度更快，集成度更高，就有可能耐复杂目益增加均一些多维数字信号处理。所它在最近才开始出现的一个新领域。尽管如此，多维信号处埋仍然对以下一些间提了解决的办法，这些问题是：计算机辅动断层成术(CAT)，即综合来自不同方向的X射线的投影，以重建人体某一部分的三维图，源声纳阵列的设计及通过人造卫星地球资源。多维数字信号处理除具有许多引人注目和浅显易行的应用之外，它还具有坚卖的数学基础.，这不仅使我们能了解它的实现情况，而且当新问题出现时，也当及时解决。

典型的信号处理任务就是把信息从一种信号传递到另一种信号上，例如，可将一张照片加以扫描、抽样，并将共存储在计算机的存储器中，在这种情况下，信息是从可变的银粒密度转换戌可见光束，再变成电的波形，最后变戍数字的序列，随后该数字序列用。磁盘上磁畴的排列来表示CAT扫描器是一个比较复杂，经过处理，最后显赤射线管(CRT)的荧光屏上或胶片上。数字处理能增加信息，但可以重新排列信息，使观察者能更方便地理解它.观察者不必观看多个不同测面的投影而可直接观察截面图。、

人们感兴趣的是信号所包含的信息，而不管信号本身是什么形式。也许可以概括地说，信号处理涉及两个基本任务一一信息的重新排列和信息的压缩。

数字信号处理涉及到用数的序列表示的信号的处理，而多维数字信号处理则涉罚用多维阵列表示的信号的处理，例如对同时从几个传感器所接收的抽样图像和抽样的时间波形的处理。由于信号是因而它可以用数字硬件处理，同时可以将信号处理的运算规定为算法。

促使人们采用数字方法的是不言而喻的。数字方法既有效灵活。我们可以用数字系统使其有自适应性并易于重新组合。可以很方便地把数字算法由一个厂商的设备上转换到另一个厂商的设备上去，或者把专用数字硬件来实现。同样，数字算法也可用来处理作为时间函数或空间信号，数字算法自然地和逻辑算符如模式分类相联系。数字信号能够长时间无差错地存储。对很多种应用而言，数字方法Ⅸ其它方法更为简单，对另外一些应用，则可能根本不存在其他方法。多维信号处理是不同于一维信号处理，想在多维序列上实现的多运算，例如抽样、滤波和交换等，用于一维序列，然而，严格芯说，我们不得不说多终信号处理与一维信弓有很大差别的。

信号处理与一维信号处理还是有很大差别的，这是由三个因素造成的;(l)二维通常比一维问题包含的数据量大得多;(2)处理多维系统在数些上不如处理一维系统那样完备；(3)多维信号处理有更多的自由度，这给系统设计音以一维情况中无法比拟的灵活性。虽然所有递归数字滤波器都是用差分方程实现的，一维情况下差分方程是全有序的，而在多维情况下差分方程仅是部分有序的，冈而就存在着灵活性，在一维情况小，离散传里旰变换CDET)可以用快速傅里叶变换CEPT)算法来计算，而在多维情况下，有多且每一个OFT又可用多种AFT算法来计算。在一维情况下，我们可以调整速率。而且也可以调整抽排列。从另一方面来说，多维多项式不能进行因式分解，而一维多项式是可以进行因式分解的。因而在多维情况下，我们不能论及孤立的极，气、孤立的零点及孤立的根。所以，多维信号处理与一维信号处理有相当大的差别。在20世纪60年代初期，用数字系统来模仿模拟系统的想法，使得一维数字信号处毫的各种方法得到了发展。这样，仿照模拟系统理论，创立了许多离散系统理论.随后，当数字系统可以很好地模仿模拟系统时，人们认识到数字系统同时也可以完成更多的功能。由丁这种认识及数字硬件工艺的有力推动，数字信号处理得到了发展，而且现今很多通用的方法，已成为数字方法所特有的，没有与其等效的模拟方法，在发展多维数字信号处理时，可观察到同一发展趋向。因为没有连续时间的(或模拟的)二维系统理论可以仿效，因而最初的二维系统是以一维系统为基础的，80年代后期，多数二维信号处理都是用可分的二维系统。可分的二维系统与用于二维数据的一维系统几乎没有差别。随后，发展了独特的多维算法，该算法相当于一维算法的逻辑推理。这是一段失败的时期，由干许多二维应用要求数据量很大，且iT缺少二淮多项式太分解理论，很多一维方法不能很好地推广到二维上来。我们现在正处于认识的萌芽时代。计算机工业以其部件的小型化和价格日趋低廉而有助于我们解决数据量问题。尽管我们总是受限于数学问题，但仍然认识到，多维系统也给了我们新的自由度。以上这些，使得该领域既富于挑战性又无穷乐趣，电子信息技术的结合之软件结台，传统产业中可用电产信息技术的地方，仍然可以在生产或很低的条件下使用人力或传统机械。电予信息技术应到限制，在不同领域和不同水平有各种原因，但烂有一个共大原因是缺乏认识。没有认识，便没有应层。

事实上，在一维和二维信号处理理论之间有实质性的差别，而在二维和更高维之间，除了计算上的复杂世方耐差异之外，似乎差别较小。

参考文献

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关键词：数字信号处理；课程规范化建设；教学实践

中图分类号：G420 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）27-0134-02

一、引言

“数字信号处理”课程是测试计量技术及信息工程类的专业基础平台课程，同时也是许多相关专业硕士研究生的入学考试或后续课程，在高校理工培养计划中占有重要的地位。

课程中涉及的基本原理和公式推导较多，需要“高等数学”、“信号与系统”等多门先修课程的学习，内容比较抽象，教学难度相对较大，该课程成为学生普遍反映的“头疼课”，课题组教师多年来一直在寻找多种切实可行的教学方法及教学手段并开拓提高学生学习兴趣的方法，取得了一定的效果，在此基础上，借深化课程改革以及专业综合认证的契机，结合自己的教学实践，提出数字信号处理课程的规范化建设。

二、修订课程大纲

针对授课专业学生的知识体系和应用需要，进一步修订与完善课程大纲，重点体现为教学目标的明确化与具体化，课程的教学目标与相关毕业要求有对应关系，指明要使学生能够具备何种能力。教学过程围绕如何达到教学目标组织教学，课程的教学内容体现对教学目标的支撑，考核方式要验证对教学目标的达成。

三、教学模式改革

传统教学采用多媒体+板书的授课方式，由于课程内容抽象、公式烦琐，课堂教学具有一定难度，学生在学习过程中比较困难，一些定理、公式往往不能完全理解，加上学时压缩导致授课速度加快，对一些需要深入讨论的知识点不能一一详尽分析探讨。多媒体课件的辅助使用能对理解抽象概念起到一定作用，但由于缺乏自主训练，被动接受导致学生仍不能深层次的理解内容的本质，效果的改善不是特别明显。本次教学模式改革宗旨是避免传统、单一的课堂知识讲授，以“让学生动脑思考、动手训练，促进知识到能力转化”为目的，设计以能力培养为主的教学环节。

这一教学改革方向，具体从修订课程大纲、教学模式改革、课程考核方式改革和规范考核报告等几个方面制定教学改革建设的方案和措施：

1.针对授课专业学生的知识体系和应用需要，调整教学内容和方向，增加教学实践环节，完备数字信号处理课程体系，包括完善教学体系、修订教学大纲、实验大纲和授课日历等。

2.针对传统课程考核试卷成绩权重过高，容易造成学生平时不重视、考前突击的应试局面，提出多元化考核方式，改变以往以卷面考试为主要评测标准的做法，将学生在课程学习全过程中的表现均纳入考核范畴，建立注重过程和综合能力的课程考核机制。

3.规范课程考核报告，在完成传统成绩分析的基础上，考核报告围绕对课程目标的达成与毕业能力的达成来量化，并根据达成度结果提出持续改进措施，形成教学过程的闭环结构，不断改善教学效果和学生的学习效果。

4.深入开展教学方法研究与实践，撰写有关教学方法、教学改革等教学理论研究论文。

四、课程考核方式改革

我校“数字信号处理”总学时为40，其中理论36学时，实验4学时。传统考核方式为结课考试占80%，平时成绩20%。由于结课考试权重过高，容易造成学生平时不重视，通过考前突击应付考试的局面，陷入应试教育的误区。本次课程考核方式改革的思路是丰富考核形式，建立基于过程的综合考试方式，注重对知识应用能力、实践能力、解决问题能力和创新能力的考核。课程考核应全面检查教学内容完成情况，并且结合课程的教学目标，考查所要达成的毕业能力。图1给出了课程考核构成示意图。

1.结课考试。结课考试各考题对应相应的课程目标，包括概念理解、理论计算、工程问题分析与设计，全面考察学生掌握知识情况。

2.项目作业。项目作业是实现理论与实践相结合的重要环节，以团队方式实施，原则每组3―4人，学生团队自我组织和协调关系，通过分工合作、交流讨论的方式完成相应任务，每组提交研究报告一份。报告需针对各个问题的提出解决方案，包括查了哪些资料、做了哪些尝试、尝试的效果、遇到的问题、问题的解决方法、遗留的问题、遗留问题的原因分析、方法的改进创新等，不限于以上各点。项目作业将以答辩的形式进行验收，答辩结束后，学生需及r上交项目研究报告和PPT。报告内容的完整度与答辩过程分析问题的深入程度及解决问题方法的正确性、新颖性作为成绩评定的依据。

3.实验考核。根据学生的实验预习、实验纪律、实验动手能力及实验报告结果，进行综合评定。

4.平时成绩。平时成绩包括作业成绩和课堂表现和讨论课成绩。作业成绩依据作业的实际得分计算。课堂表现的量化依据是随堂回答问题和讨论课环节学生的参与度、对问题的思辨能力与拓展能力。讨论课成绩依据学生资料查阅、知识熟练运用及体会、PPT制作等综合评分。

考核方式的多元化改变了以往以卷面考试为主要评测标准的做法，将学生在课程学习全过程中的表现均纳入考核范畴，建立了注重过程和综合能力的课程考核机制。

五、课程考核报告规范化

此次课程改革的一个重要环节是考核分析报告的规范化，报告由总表和附表两部分组成。总表与传统的试卷分析类似，包括课程的基本信息，如开课学期、班级、任课教师等，以及考核各环节的比重和成绩分布情况。附表构成如表1。

其中，课程目标和毕业要求由教学大纲给出。考核报告围绕对课程目标的达成与毕业能力的达成来量化，并根据达成度结果提出持续改进措施，形成教学过程的闭环结构。

六、结语

本文针对“数字信号处理”的课程特点，提出了课程规范化建设方案。从大纲修订、教学模式与考核方式的改革、考核分析报告的完善等几个方面阐述了具体实施办法。通过教改使教师有意识的提高自己的知识水平、道德素养和业务能力，加强教师团队建设，本次改革已在本专业试用一学期，结果表明，该门课程的规范化建设激发了学生的学习d趣，提高了学生自主学习的能力，改变消极被动的学习习惯，变被动为主动，通过对考核分析报告中达成度的结果进行持续改进，必然会使教学质量得到进一步提高。

参考文献：

[1]胡广书.数字信号处理-理论算法与实现[M].北京：清华大学出版社，2003.

[2]谢平，王娜，林洪彬.信号处理原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2009.

[3]刘永红，王娜.“数字信号处理”课程学习兴趣的培养[J].电气电子教学学报，2014，36（2）：9-11.

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“信号与系统”和“数字信号处理”课程中有关离散信号与系统分析，以及Z变换等部分内容缺乏统一性、完整性和系统性。两门课程虽然都是对信号和系统进行讲解，却没有形成有机的整体，在教学过程中经常存在配合不好的现象。而在课程开设时，学校为了课程各自体系的完整，出现授课的重复性和不相关性等问题，对学生系统掌握连续和离散信号与系统的分析人为制造了障碍。两门课程都具有理论性过强，不易理解，而实际应用较少的特点。厚厚的教材、大量的数学公式及推导过程、众多需要理解和掌握的知识点，加大了学习的难度，使学生在学习过程中形成畏惧心理，又对后续课程的学习丧失兴趣和信心。另外，课程缺乏“新鲜元素”，绝大多数教材没有介绍信号最新的技术和发展趋势，教师在授课时也会因为课时问题而忽略这部分信息，以至于使部分学生认为学习“信号与系统”课程和“数字信号处理”课程缺乏实用性，降低了学生学习的兴趣和动力。正是课程在设置时存在的这些问题，在某种意义上给教师授课和学生学习带来一定困难。针对这些问题，论文将结合本院课程体系现状，分析这两门课程优化整合的思路。

宿迁学院课程体系现状

在本院电子信息工程专业，“信号与系统”课程开设在本科第四学期，“数字信号处理”开设在第五学期，经过长达两个月的假期，学生对很多内容产生遗忘的现状，这就为“数字信号处理”的学习带来困难。因此，“数字信号处理”课程的前几章主要涉及离散信号与系统的时域分析以及Z变换，这部分内容实际在前面课程已经讲授过。文献[5]的作者结合其专业的具体情况，经过3年的对比教学，得出在“数字信号处理”课程的开始前，以8个学时来复习“信号与系统”课程的基本概念和理论是最佳的教学方式的结论。然而，本院电子信息工程专业的教学计划中，“信号与系统”理论50学时、实验10学时，“数字信号处理”理论40学时、实验5学时，这两门课程的学时较少。由于“信号与系统”课程教学内容多，而课时偏少，在一个学期将本该70课时左右的课程压缩到50课时，具有很大难度。因此，把离散部分的许多基本内容留给后续课程讲解，如离散信号与系统的时域与Z域分析这部分内容主要放置在“数字信号处理”中讲解，将有限的课时用于连续信号与系统的分析讲解，这更有利于提高课时利用率。另外，结合课程特点，为了促进学生对理论知识的理解和掌握，本院将一定数量的习题课改为学生课后习题，并结合课程考核以督促学生独立认真完成，通过这种做法，将有限课时用于课程内容讲授和师生互动。

课堂教学方式和方法

1.启发式教学

这两门课程都具有自身内容抽象，仅凭想象难以理解的特点，教师照本宣科将使学生感到烦躁，丧失学习兴趣，在具体教学中运用了以下教学方法：第一，采用“类比”的方法。教师根据“信号与系统”特有的对称特性，按连续时间信号与系统的分析方法，采用类比方法分析离散时间信号与系统。在傅里叶变换的基本性质和拉氏变换的基本性质等的讲解中也采用了该方法；第二，课堂教学尽可能体现“提出问题、分析问题和解决问题”这个过程。在教学中教师通过问题来启发、引导学生积极思考和分析问题，尽量让学生在实践中解决问题，使学生在课程学习过程中逐渐提高学习的兴趣和能力。

2.传统教学与现代电教法的结合

传统教学主要以教师板书，学生记笔记为主，虽然具有思路详细、公式定理推导严谨的优点，但这种“满堂灌”的教学方式在增加教师劳动强度的同时，沉闷的课堂气氛也降低了学生学习的兴趣。现代电教法在授课时虽然能有“声”有“色”，但是过多的感官刺激也会使学生麻痹，另外，电教法在课堂教学中普遍存在信息容量大的问题，相比传统教学法，学生需要接收更多信息，如果课后学生未及时复习整理，将会出现课堂热闹，下课作业困难，学生考试成绩不理想的现象。传统教学与现代电教法为主的教学模式各有优缺点，在教学中扮演着各自不同的角色，教师取长补短、灵活应用不同的教学方法，才能改善授课效果。因此在教学过程中，笔者根据课程的特征灵活应用多种教学方法，如以电教法为主，传统教学为辅的教学模式，以提高教师授课效率和学生学习兴趣。电教法可以分为“多媒体教学”以及“网络教学”两种模式。多媒体教学主要指教师课堂授课使用多媒体辅助教学，这要求备课时准备课件。图文并茂的视觉演示为抽象概念的讲解提供了方便，另外多媒体教学还可以增加较多的应用示例，拓宽学生的知识面，提高学生的学习兴趣。但这种教学方式也存在一些缺点，如过多的视觉冲击会造成学生视觉疲劳。为了弥补传统教学模式与多媒体教学手段的局限性，本院正在积极建设“信号与系统”网络课程。课程网站为学生自主学习创造了条件，提供了帮助和指导。教师将课程教学大纲和学习要求、教学课件、习题、模拟试题及实验教学等资源放置在课程网站上，可以方便学生自学。而网络课程中的在线交流模块，方便了教师对学生进行教学指导和答疑，加强了师生之间的交流，提高了学生学习的兴趣。当然教师应该引导和督促学生访问课程网站，积极利用丰富的学习资源。比如将传统的纸质作业上网，要求学生登录自己的帐号，完成规定数量的习题并实时由系统打分，在课程考察时将这部分成绩纳入期末成绩。网络课程可以克服传统教学对教学时间、教学地点的限制，促进教学质量的提高。

实践教学

实践教学可以使学生对信号及信息处理领域有一个全面的认识，因此实践教学是至关重要的一个教学环节，合理安排实践教学对课程的学习很重要。本课程的实验教学可以结合Matlab 软件应用安排编程练习。目前，这种做法已取得国内、外广大任课教师的共识。[4]本院这两门课程实验主要采用Matlab软件仿真的方式，主要由验证性实验和综合设计性实验组成。验证性实验是为了培养学生的实验动手能力和数据处理等其它技能。比如在“信号与系统”的验证性实验中，设计了用Matlab软件实现常见连续和离散信号，通过这个实验，学生可以初步了解使用Matlab软件编程实现一些简单函数的方法，为后继设计性和验证性实验打下基础。在进行了一定数量的验证性实验之后，就可以进行综合性实验。综合设计性实验要求学生根据实验要求编写程序，获取仿真结果，并对结果进行分析总结，并完成相应思考题。这能够培养学生分析、解决问题的能力，提高学生设计的能力。

结论

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论文关键词：信号分析与处理,教学改革,应用型,考核方式

近几年随着信息科学发展日新月异，对相应的基础理论教学不断提出更新的要求，“信号与系统”和“数字信号处理”课程的教学正在受到冲击。为适应科学技术的发展和当今的教学规律，并结合我校“应用型”人才培养理念，我院采用将“信号与系统”和“数字信号处理”这两门课程整合为一门课程“信号分析与处理”，并率先在应用电子专业进行试点。本文主要论述我院“信号分析与处理”课程在教学内容、教学手段和考核方式上的改革思路和方案。

1 教学内容的调整

“信号分析与处理”课程内容广泛、抽象，涉及的数学基础多。我院专科学生由于基础薄弱，很多内容不管是从概念的理解还是公式计算上都会有一定的难度，而且按照教学大纲要求在规定的60学时内把连续时间信号和系统分析，离散时间信号和系统分析，离散傅里叶变换，快速傅里叶变换，数字滤波器的设计，包括无限冲激响应数字滤波器设计和有限冲激响应数字滤波器设计的内容讲述完，是有一定难度的。因此，有必要对教学内容进行调整，内容既不能贪多求全，又不能抽象偏难。

在教学内容改革中，从实用性出发，将理论和应用相结合。首先，改变过去的以系统分析为主体，信号分析服从系统分析需要的格局，建立起信号分析为基础，系统分析与综合为信号分析与综合服务的概念。紧紧抓住信号这条主线，舍弃一些偏理论性且不适用的内容，重点介绍信号分析、处理的基本概念、基本原理和基本分析方法。

其次，“信号分析与处理”课程涉及的分析方法较多，如对连续信号有时域法、傅立叶变换、拉普拉斯变换，对离散信号有时域法、离散傅立叶变换、快速傅立叶变换、z变换，如果每种方法都详细讲述并推导过程，会让学生陷于纷繁的公式推导中，让很多学生感觉在上一门数学课，可以想象这样的教学效果肯定不好，也让学生感到枯燥乏味。在分析方法教学内容安排上，注重概念的理解和建立，弱化数学公式的推导，简化求解运算，给学生讲解这些知识点可以解决哪些实际的问题，培养学生处理数据的能力，激发学习兴趣。比如用经典法求解系统的微分方程，在“高等数学”课程中已花费较多时间学习，在“信号与分析”课程中直接应用，不再推导；离散状态方程的时域解法对专科班同学不做要求；把拉普拉斯变换、Z变换作为数学工具介绍，告诉学生如何用这些工具；对傅立叶变换，重点放到对频谱、振幅谱和相位谱的分析上，让学生掌握图谱所包含的信息。

再有，适当增加Matlab软件应用的内容。“信号分析与处理”是一门理论性和实践性较强的课程，通过这门课程，不在乎让学生记住多少个公式、定理，而更在于学生能否借助这个工具去分析处理问题。财务论文因此，增加了MATLAB在信号分析与处理的内容，由于课堂教学学时的限制，这部分内容更多地放在实验教学中。

2 教学手段的多样性

2.1 灵活性教学

传统的教学次序是先讲连续时间信号与系统的分析，再讲离散时间信号与系统的分析。鉴于两部分内容之间的相互关系，教学次序上先信号后系统，先连续后离散。什么是信号？什么是连续信号和离散信号？两者有什么区别和联系？两者的分析方法又有什么的异同？系统是为了达到特定目的对信号进行处理、变换的器件、装置、设备及其组合。为了处理不同的信号，对应系统的分析方法又有什么异同？在教学上把注意力放在它们之间的类同点和不同点上，对分析方法和过程进行类比推导讲授，这样既能帮助学生梳理课程的脉络结构，又能加深对知识点的理解。

2.2 板书和多媒体教学有机结合

改革传统的黑板式单一教学模式，在课堂教学过程中按讲授内容灵活使用黑板和PowerPoint。“信号分析与处理”课程中包含大量的数学公式和理论推导，如果单纯应用板书，公式的推导和图形绘制会占用大量的时间和精力，可充分利用多媒体的教学优势，对已知的公式和易懂的内容快速显示，而重点和难点的地方又可应用板书予以补充，增加知识保留时间，有利于师生交流的融合。借助于多媒体，还可以把课程中难以理解的概念形象化，加深学生的理解。比如卷积积分、卷积和，信号的采样和恢复等内容的教学，可以借助多媒体把复杂的求解过程，以图形方式演示出来，中间过程一目了然，这种方式能够加深他们对于信号的理解和掌握。因此，在课堂教学中，要做好板书书写和多媒体播放的完美结合，充分发挥两种教学手段的优势，增进学生对课程的理解和掌握。

2.3 将Matlab引入课程教学

Matlab 软件提供了数据采集工具箱、信号处理工具箱以及时频工具箱等相关命令和函数。用户不仅可以使用Matlab语言灵活方便地编写应用程序，也可以通过Simulink软件包对动态系统进行建模、仿真以及分析。实验教学中侧重于MATLAB在信号分析与处理的应用，在课程教学中则是借助Matlab加深学生对知识点的理解。如连续信号的时域运算，如果按照常规的课堂板书推导计算方法，学生是很难想象信号如何进行运算的。为此我们通过Matlab环境编写了连续信号的时域运算的演示环节，帮助学生理解信号时域运算的每个环节和步骤。通过Matlab演示，一方面能加深学生对已学概念、原理的理解，另一方面也为信号分析方法的研究、信号处理系统的设计打下基础。

3 考核方式的改革

考试在一定程度上是学生学习的指挥棒，为避免学生为了考试而学，为了考试而背，临时抱佛脚的学习态度和学习方法。在新的教学体系、教学内容及教学思想的指导下，对当前的考试方法及考试内容进行了改革。考试内容不再过多地注重公式记忆和单调的公式计算，而是侧重在问题的分析方法，强调基本内容、基本概念及知识的综合应用能力。考核总评成绩不再单一是期末的卷面成绩，而是由卷面成绩、平时成绩和实验成绩三个部分组成，并提高实验比例，占到了总评成绩的百分之三十。平时成绩包括学生出勤情况、作业情况、答疑情况等，如果有与教学内容相关的，可以适当调高总评成绩。

4 结束语

“信号分析与处理”是工科院校中一门非常重要的专业基础课，为了提高该门课程的教和学的质量，我们从教学内容、教学方法、考核方式等方面对课程进行了改革，实践证明这些改革是切实有效的，学生对信号分析与处理的应用能力都得到了加强。教学改革是一项艰巨的任务，虽然取得了一定的进步和成绩，但在各个环节还需要继续的探索，还要加强教学研究和与其他学校的交流，努力把它建设成为学生愿意学习并真正能够应用到实践中去解决实际问题的课程。

【参考文献】

[1]赵光宙，齐冬莲.“信号分析与处理”课程教学改革与思考[J].2007年中国自动化教育学术年会，2007：379-382.

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论文关键词：MATLAB，矩阵，自动化，教学方法

 

引言

MATLAB是MATrixLABorotory(矩阵实验室)的缩写。MATLAB语言是一种广泛应用于工程计算及数值分析领域的新型高级语言，它在数值计算、符号计算、绘图功能以及图形化编程等方面有着非常强大的功能。同时MATLAB具有丰富的工具箱，包括符号数学工具箱、SIMULINK仿真工具箱、控制系统工具箱、信号处理工具箱、图象处理工具箱、通讯工具箱、系统辨识工具箱、神经元网络工具箱、金融工具箱等数十种，使其在工业研究与开发，数学、电子学、控制理论和物理学、经济学、化学和生物学等学科的教学与研究中得到广泛应用。MATLAB功能强大、简单易学、编程效率高，深受广大科技工作者的欢迎，自1984年由美国MathWorks公司推向市场以来，历经二十多年的发展与竞争，现已成为国际公认的最优秀的工程应用开发环境。在欧美各高等院校，MATLAB已经成为线性代数、自动控制理论、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真、图像处理等课程的基本教学工具，成为大学生、硕士生、以及博士生必须掌握的基本技能。

目前，国内大学的理工科专业都将MATLAB作为专业基础课程，那么如何能够让学生在本课程的学习中提高兴趣，掌握相关知识为后续课程搭建好学习和实验研究的平台就成为了本课程教学中的一个重要问题。本文结合作者MATLAB课程多年的教学经验，对该课程的教学做以下探讨。

1、掌握MATLAB语言的特点矩阵，把握细节教学

MATLAB提供了丰富的矩阵运算处理功能，是基于矩阵运算的处理工具，所有的变量都被看作矩阵，例如 C = A + B，A，B，C都是矩阵，是矩阵的加运算，即使一个常数，Y=10，MATLAB也看做是一个1′1的矩阵。对于矩阵的学习，关键是掌握矩阵元素的标识并灵活运用。在教学中，我们可以通过下面的矩阵使学生对矩阵的标识进行掌握中国知网论文数据库。

（1）

掌握矩阵元素的基本标识之后，对于应用和提取矩阵中的元素，通过以下表格并演示运行结果来掌握。

举例，如对于

A(:, 4)=

表1 矩阵元素寻访

 

标识

使用说明

A(m, n)

提取第m行，第n列元素

A(:, n)

提取第n列元素

A(m, :)

提取第m行元素

A(m1:m2, n1:n2)

提取第m1行到第m2行和第n1列到第n2列的所有元素

A(m:end, n)

提取从第m行到最末行和第n列的子块

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系统总结了当前电压型可逆变流器控制策略的发展概况，并对其详细分类研究。在比较各种控制方案优缺点的基础上最终确定了以电流d-q变换结合滑模控制作为本课题的控制策略。

详细阐述了电压型可逆变流器的数学模型，包括通用数学模型、d-q变换大信号数学模型、以及d-q变换小信号数学模型。根据d-q变换大信号数学模型建立了系统的电流环。结合d-q变换小信号数学模型设计了电压环以及电压环的滑模控制器。

确定了电压空间矢量(SVPWM)作为开关控制策略。详细阐述了其基本原理。基于MATLAB对其进行了仿真研究。针对可逆变流器使用常规的PID控制对系统参数变化的较为敏感性，电压环采用了滑模变结构控制以期得到改善。基于MATLAB仿真软件完成了系统的忽略高次谐波、不忽略高次谐波下的SPWM、SVPWM的闭环系统仿真。

针对单片机控制系统的计算速度慢，实时性控制较差，因此本课题采用TI公司的数字信号处理器TMS320F240来控制系统，以期提高计算速度。

根据本课题的控制方案，设计了系统软件流程，编写了系统的电流电压双闭环程序。基于TMS320F240发出开关频率fs =900Hz的空间矢量波形。理论上的分析结合实践过程完成了系统的开环和闭环实验，验证了控制方案的可行性。

本课题获得河北省教委科技基金支持，是国家自然科学基金的后续课题，对解决电网谐波污染，提倡绿色用电有着重大的经济价值和理论上的指导意义。

关键词　功率因数校正；可逆变流器；滑模变结构控制；空间矢量；数字信号处理器

Abstract

Development survey of control strategy of voltage type reversible converter is summarized systematically. Control strategy is studied in detail. Direct current d-q change and sliding mode controls are regarded as control strategy of this paper on the basis of comparing of advantages and disadvantages varieties of control strategy.

Mathematics mode is set forth detailedly， including; current general mathematics mode; d-q change large signal mathematics model and d-q change small signal mathematics model. The system current loop is established according to d-q change large signal mathematics model. The voltage loop and its SMC are designed according to d-q change small signal mathematics model.

Space vector PWM is regarded as switch control strategy .Its essential principle is set forth detailedly and is simulated based on MATLAB. Voltage loop adopts variable structure control with sliding mode in order to improve with regard to conventional PID control， which is sensitive to system parameter. Close loop system simulation of SPWM and SVPWM is completed with neglecting high harmonics and without neglecting high harmonics based on MATLAB.

Because calculation speed of single chip microprocessor is slow and it realizes timing control poorly， digital signal processor TMS320F240 of TI Company is adopted to improve the calculation speed.

Flowchart of system software is designed according to control strategy of this paper. The double close loop program of current and voltage is complied. SVPWM wave of switch frequency (900Hz) is emitted based on TMS320F240.Open loop experimentation and close experimentation is completed according to theory analysis and practice process， validating feasibility of control strategy.

This paper obtains the sustainment of science and technology fund of committee of education in province HeBei and is the follow-up task of nature science fund of country and has the important value of economy and the guidance significance of theory.

Keywords power factor correction; reversible converter; variable structure control with sliding mode; space vector; digital signal processor

目　录

摘要……………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract……………………………………………………………………Ⅱ

第1章 绪论…………………………………………………………………1

1.1 功率因数校正技术的发展概况………………………………………1

1.1.1 单个三相PFC电路………………………………………………2

1.1.2 电流断续状态下三相单开关变换器……………………………3

1.1.3 电流断续状态下的三相升压变换器……………………………4

1.1.4 电流连续状态下三相升压变换器………………………………4

1.1.5 三相降压整流器…………………………………………………5

1.2 电压型可逆变流器的开关控制策略…………………………………5

1.3 电压型可逆变流器的控制方案………………………………………6

1.3.1 间接电流控制……………………………………………………6

1.3.2 直接电流控制……………………………………………………7

1.4 可逆变流器控制策略的新发展………………………………………9

1.4.1 单周控制…………………………………………………………10

1.4.2 占空比控制………………………………………………………10

1.4.3 基于Lyapunov非线性大信号方法控制………………………10

1.4.4 神经网络和模糊逻辑控制………………………………………10

1.4.5 双电流控制………………………………………………………11

1.4.6 输出直流电压的优化前馈补偿控制……………………………11

1.5 本课题工作…………………………………………………………11

第2章 可逆变流器控制方案及数学模型…………………………13

2.1 可逆变流器数学模型概述…………………………………………13

2.2 系统数学模型的建立………………………………………………13

2.2.1 系统通用数学模型的建立………………………………………14

2.2.2 系统d-q数学模型的建立………………………………………16

2.2.3 系统小信号数学模型……………………………………………18

2.3 系统的控制方案……………………………………………………21

2.4 变流器电流环的设计………………………………………………22

2.5 滑模变结构控制理论………………………………………………25

2.5.1 滑模变结构控制的基本问题……………………………………26

2.5.2 滑模变结构控制的基本策略……………………………………26

2.5.3 滑模变结构控制系统的动态品质………………………………27

2.6 滑模控制器及电压环的设计………………………………………28

2.6.1 广义控制对象的确定……………………………………………28

2.6.2 滑模控制器的改进………………………………………………32

2.7 本章小结……………………………………………………………36

第3章 系统仿真研究……………………………………………………37

3.1 空间矢量PWM(SVPWM)的基本原理……………………………37

3.2 空间矢量的工作模式和时间的计算………………………………38

3.3 空间矢量调制比及其对系统的影响………………………………42

3.4 空间矢量的MATLAB仿真………………………………………43

3.5 控制系统仿真研究………………………………………………45

3.5.1 不忽略高次谐波下的总系统SPWM仿真……………………49

3.5.2 不忽略高次谐波下的总系统空间矢量仿真……………………50

3.6 本章小结……………………………………………………………52

第4章 基于DSP软件实现……………………………………………53

4.1 TMS320F240的结构与汇编原理……………………………………53

4.2 TMS320F240的中断结构……………………………………………54

4.3 TMS320F240的定点运算……………………………………………55

4.4 系统控制的硬件和软件设计………………………………………56

4.4.1 系统硬件设计……………………………………………………57

4.4.2 系统软件设计……………………………………………………58

4.5 本章小结……………………………………………………………60

第5章 系统实验…………………………………………………………61

5.1 开环实验……………………………………………………………62

5.2 闭环实验……………………………………………………………64

5.2.1 电流闭环实验……………………………………………………64

5.2.2 电压闭环实验……………………………………………………67

5.3 实验注意事项………………………………………………………69

5.4 本章小结……………………………………………………………69

结论……………………………………………………………………………71

参考文献………………………………………………………………………72

攻读硕士学位期间所发表的论文……………………………………………77

致谢……………………………………………………………………………78

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论文关键词：检测仪器,智能,模块,网络

一、前言

近年来，电子技术、计算机技术、通信技术和自动化技术的高速发展，对检测仪器检测速度、准确度以及检测功能等整个性能方面提出了更高要求。而这些技术的发展也推动了电子测量技术的快速发展。同时也给测量仪器提供了巨大的市场，大量的新型产品都需要通过仪器的测量才能投放市场，所以这就对仪器的功能及测量能力有一个新的要求，以帮助工程技术人员在生产中适应众多的工业标准和有效的处理各种问题。除以上技术外，现代监测和传感技术，显示技术、数字信号处理技术和系统理论研究，也为检测过程的数字化、智能化创造了条件。总体来看，检测仪器的发展到目前已经经历了三个阶段：第一代是模拟仪器；第二代是数字式仪器，它是以数字电路进行信息的数字化处理，然后数字显示，这种仪器比模拟仪器的测量精度要高，响应速度快；第三代仪器是智能化仪器，它内部含有单片机，无论数字采集和处理都是由单片机控制。

二、智能仪器

在智能仪器中，它们结构与计算所相同而能完成仪器的有关功能，是因为智能仪器中利用单片机的算术逻辑处理能力和以软件取代过去的电子线路和硬件功能，软件的灵活性使得智能仪器可以用各种软件和处理方法进行信息的采集、处理和存储，而无需专用的电子线路，从而大大简化了智能仪器的控制结构。对于智能仪器而言，其硬件是数据采集技术及输入输出技术，包括单片机、接口和输入输出设备；而软件实现数据处理包括采样、滤波、处理，把输入信息进行加工后产生所需的输出信号送到输出电路去显示或传送。

为了提高仪器的精确度，在智能仪器中有的还设置了自动校正、自选量程等功能。例如青岛艾诺智能仪器有限公司生产的9601型耐电压测试仪的输出电压，就采用分段软件补偿，消除变压器、电感等器件的不一致性带来的细小偏差，使0~5KV全量程电压相对误差精度保持在3%以内。部分仪器为了扩展自身功能，在智能仪器中设置了多种物理测量功能，如：量制变换功能、间接结果计算功能、自动控制功能、打印功能、停电保存功能、自诊断和自测试等一些传统仪器无法实现的功能，所以智能仪器不再是一种功能单一的仪器，而是一台多功能仪器。

智能仪器和传统仪器无论在结构上或技术上都有很大区别，现代化的绝大多数测量仪器都基于微处理器化的智能式设计原理，所以智能仪器具有以下特点：

1、检测与操作的自动化

2、信息传输与交换

3、小型化和多功能化

4、提高了检测结果的可靠性

5、缩短了仪器的设计和研制周期

三、检测仪器的模块化

在测试系统中除了至今仍广泛采用GPIB系统外，近年来出现VXI总线及检测系统，它是以计算机为中心，配接一些功能模块而构成的模块化测试系统。VXI系统具有使用灵敏方便、开放性强、标准化程度高、扩展性好、数据传输速度快、体积小、模块重复使用等优点，便于充分发挥计算机能力。同时VXI总线系统结构还允许不同厂家生产的各种仪器、接口插板或计算所以模块共存于同一VXI总线主机箱中，所以VXI总线系统具有非常好的开放性和灵活性。

另外，还由于模块化测试系统具有通用的硬件平台，如果配以不同的测试模块，就可以将不同的测试功能有效地组合在一起，缩短了系统的组建时间。模块化测试系统还有利于测试系统本身的扩展，如果需要，就可以方便地加入一个测试模块或更换一个测试模块，而不用重新购买一个完全新的系统，具有极强的灵活性。

四、检测仪器的网络化

现代的信息工业是以测量为主的信息采集，以通信为主的信息传输和以计算机技术为主的信息分析处理为其主要的基本环节。测量与通信及计算机技术的结合，形成了相互配合，共同提高的态势。就测量和仪器而言，虽然微处理器的应用已改变了它们的面貌，但传统测量至今大多仍使用孤立或局部控制的仪器或测试系统，来取得单一的测试数据。面三种技术的结合，能使测量成为信息采集、传输和处理闭合环路中不可分割的组成部分。随着计算机网络技术、现代通信技术、数据库技术的高速发展，测试系统与计算机网和通信网的结合正在为一种趋势。

另外，在现代化工业生产中为了保证产品的100%合格率，就必须在整个生产过程中实时跟踪每一个环节，并及时反馈测试信息，岗位操作人员根据所获得的信息资料随时进行处理，可以说由单件仪器向网络测试系统的转变是一种必然的发展趋势。

五、虚拟仪器

随着现代计算机技术的高速发展，计算机硬件价格的不断下降，通用硬件平台和虚拟仪器也正在成为一种新的趋势，通用硬件平台主要包括用于数据采集、信号分析处理和信号输出显示等带有共性的硬件，例如微型计算机、A/D和D/A变换器、显示器等，有了这些通用硬件平台，根据不同仪器的具体技术要求，开发出相应的软件，就可以产生不同的测试功能的输出多种测试信号。虚拟仪器充分利用了微型计算机强大的软硬件技术，可以设计出风格不同的人机操作界面，并且易于随着计算机软、硬件的升级而升级。虚拟仪器允许用户在通用硬件平台上根据自己的需要构造仪器，充分发挥计算机或数字信号处理器的作用，对仪器功能进行变换组合，因而比实物仪器更具有灵活性。

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关键词：电子信息；创新型；人才培养；校企合作

中图分类号：G640 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）02-0087-02

一、背景

电子信息工程专业培养的是电子系统设计、信号处理方面的高级技术人才，结合本人在教学和学生创新实践培养过程中的经验，就高校电子信息工程专业大学生创新型人才培养方面提出自己的几点看法。电子信息工程是一个理论与实际动手能力紧密结合的专业，提高实际动手能力的最好途径就是参与具体的课题研究。目前存在的普遍问题是：学生大学四年所学的书本知识不少，参与实际项目的开发研究机会较少，动手能力亟待提高。根据《教育部 财政部关于“十二五”期间实施“高等学校本科教学质量与教学改革工程”的意见》的精神，结合我校“十二五”的发展纲要及电子信息工程专业培养方向的要求，探讨提高电子信息工程专业大学生动手能力、培养适合社会急需的创新型人才的方法是本课题研究的重点。

二、创新型人才培养目标

创新型人才的培养是一个系统工程，贯穿于学生四年的大学生活。经过四年的理论知识的学习和参加具体项目实际训练，学生要掌握扎实的专业知识、具有熟练通读外文技术资料的水平、很强的动手和创新能力，毕业时能设计一个具有行业领先水平的产品，能承担信号处理方面的科研工作。

三、创新型人才培养的意义

创新型人才培养对促进教学工作、提高教学质量的意义在于以下几个方面：

1.创新型人才培养模式我们采用择优录取，优胜劣汰的原则，形成特定的文化氛围，以加速学生个体心理的健康成长与精英专业思维的形成。

2.我们对常规课程体系进行改革，除建立在数理基础上的科学性系列课程以外，还提前侧重工程实践的工程性系列课程的讲授时间。依据教育心理学中的目标定向理论与自我效能感理论，通过课内外贯通式创新实验，形成持续的学习自我效能感，通过贯通式课程，形成阶段性的知识融合，以改变学习目标不明确、精力投入不足、学习效果差的问题。

3.通过搭建引导、激励、环境三方面结合的全方位创新实践支撑平台，实施课内外结合的贯通式创新实践活动，以构建立体化创新实践教学体系，实现本科全过程创新实践能力培养。

四、创新型人才培养计划

根据最新技术发展趋势、社会需求和创新中心团队老师的知识结构，经多次讨论，多媒体创新中心培养创新型人才的方向分为嵌入式和DSP两个方面。学生经过四年培训，在嵌入式或DSP平台上具有较强的动手、科研能力，能承担各企业、科研院所在DSP、嵌入式方面的科研工作。创新型人才的培养遵循“分阶段、分步骤、适当超前”的原则。“分阶段、分步骤”的方法将大学四年分为基础训练阶段（大一、大二、大三）和综合训练阶段（大四）；“适当超前”就是在培养的各个阶段，通过讲座、自学，将课堂教学的内容提前掌握，尽早进入实际课题的研究工作。针对每个不同的培养阶段，制定不同的培养目标。每个阶段以学生制作的作品为考核内容。为此，创新中心设计了四组作品，每个作品由中心老师、学生制作完整的技术方案、元器件的选型、技术指标以及考核方法，由学生组成团队或个人完成。

1.基础训练阶段。经过大一到大三三年基础训练阶段的培养，重点掌握扎实的专业理论知识，提高实际动手能力。根据基础训练阶段的特点，将三年分为三个阶段，每个阶段制定不同的要求、任务，在课堂学习的基础上，指导学生自学新的知识，参与一些课题的训练。（1）大一阶段。大一是学生从高中阶段到大学阶段转换的关键时期，学生的自学及科研的习惯、初步动手能力及兴趣的培养是重点。C语言是嵌入式和DSP两个平台开发的基础，是信号处理的基础。通过课堂教学和强化训练，使学生熟练掌握C语言。单片机的开发相对嵌入式和DSP两个平台入门简单，从单片机的小产品入手，培养大一学生的动手能力与兴趣，学会Proteus、Keil仿真平台的使用，养成在开发前期使用仿真平台的习惯。大一的目标：在掌握以上基础知识的基础上，大一期间完成会议电子名片或自行车码表的制作，具有一定的动手能力。（2）大二阶段。经过一年的培养，学生具有一定的动手能力，了解了电子信息工程专业的发展方向，明确了电子信息工程专业学习目的。在此基础上，学习Matlab软件（重点Simulink在信号处理中的应用），通过课堂学习、内部培训及视频教材，熟练掌握信号与系统、滤波器设计、数字信号处理等理论知识。大二的目标：在掌握以上基础知识的前提下，完成基于51单片机的DTMF信号生成及检测、语音信号的A/D、D/A系统设计。（3）大三阶段。按照学生的选择，培养方向分为嵌入式及DSP平台两个平台进行专业训练。嵌入式方向的同学学习Linux操作系统，掌握ARM系列芯片的硬件原理，针对具体应用，掌握3～4个协议栈的使用，学会裁剪操作系统。DSP方向重点以TI公司DSP芯片为开发平台，熟练掌握CCS软件的使用和定时器、串口、存储器的扩展、HPI接口的基本知识。结合数字信号处理、高频电子线路、通信原理、嵌入式系统的应用、DSP原理及应用的课堂学习及实验，学生掌握了电子信息工程专业大部分知识，大三的目标：在掌握以上知识的前提下，完成基于嵌入式（ARM）/DSP的DTMF信号生成与检测、新型电视传输系统两个研究课题。

2.综合训练阶段。学生经过前三年的训练，具有较强的动手能力和扎实的基础知识。大四阶段是出成果的关键一年，创新中心的领域是多媒体通信的研究，结合中心的研究领域及市场的需求，重点研究语音编解码、语音识别、语音合成、语音增强方面的课题。根据课题的具体要求，学生可以选择性地在自适应滤波器、现代信号处理等理论方面进一步学习，以更好地完成综合训练阶段的训练。综合训练阶段的目标根据学生基础训练阶段所学知识和动手能力的情况，设计了以下课题：强噪声环境下的通信系统、麦克风阵列语音增强系列产品的开发等，这些课题在ARM、DSP平台上的实现。

五、创新型人才培养团队

以上各阶段目标的实现需要一个具有很强战斗力、责任心和爱心的团队来执行。经过一段时间的运行多媒体通信创新中心通过以下措施来实现以上目标：

1.每周四下午例行的技术讲座，主讲人以本中心的老师、学生为主，适当的时候请一些专家来进行相关领域的前沿技术讲座，扩大老师、学生的知识面。

2.“以老带新、以点带面”，部分同学经过较长时间的培养，具有一定的实践经验，由他们指导刚进入中心的新生，培养了大家的团队意识。

3.针对不同阶段、不同基础的学生，中心制订了电子信息工程专业创新人才培养计划。讲座、自学、课堂学习几个方面来扩大大家的知识面，不同阶段不同的课题培养大家的动手能力和专业技能，通过大四的综合训练阶段提升大家的全面能力，达到创新人才培养的最终目标。

4.创新中心的运行需要一定的运行费用，需要对市场和技术具有敏锐的洞察力，通过校企合作的方式，将学校的技术优势与公司的市场优势有机结合，是一种切实可行的途径。

六、成果

在指导老师及广大同学共同努力下，在语音信号处理、图像信号处理等方面能够取得一定的成绩。产品能应用于市场；在学生中的影响面能借由创新中心的学生带入各个班级。

1.系列拾音器的开发：正在开发的两款数字拾音器，原理样机已经研制完毕。此数字拾音器采用了麦克风阵列、盲源分离、回声抵消等多种语言增强技术，实际效果比较理想。利用这些技术，还准备研制多媒体教室的话筒，取代目前的模拟话筒。

2.会议电子名片：正在开发会议电子名片，系统通过计算机向会议电子名片系统发送需要显示的名字等内容，具有较好的市场前景。

3.全网络楼宇对讲系统：正在开发的基于CORTEX M4的全网络楼宇对讲系统中使用了拾音器方面的关键技术，单元机及户内机之间语音、图像信号的传输全部通过网络实现。目前国内这方面的产品较少，市场前景广阔。

4.学生中的正面影响：值得一提的是电院大二、理学院大二两位同学，自进入大学开始，一直在创新中心老师指导下学习，和其他同学相比，他们的动手能力强、知识面宽，专业知识基本上学到了大三下学期的课程。在他们的带领下，各个班级的电子产品小制作活动广泛开展起来了。

七、后语

我们通过建设贯通式课程体系、搭建立体化创新实践平台，从个性、知识、能力三方面进行针对性培养，引导学生明确目标，不断获得克服困难、解决问题的成功体验，形成目标+持续成就感的正向反馈与良性循环，最终实现创新型人才培养目标。

我们尝试最大限度拓展学生实践投入时间、锻炼学生实践能力。科研创新效果明显，科研项目数及参与人次逐年递增。学生参与发表科研论文、申请专利。毕业生知识面广，知识掌握深，动手能力强，综合能力高，进入社会发展潜力大。

在创新型人才培养过程中，深感责任重大，“没有教不好的学生”是我们最大的感受，看到同学们一天一天地成长，我们备感欣慰。创新中心通过企业出项目、教师重引导的方式，激发、培养和发挥学生的创新能力，实现产学研互相转化。这些活动的开展，拓展了老师的视野，提高了学生的动手能力和创新能力，推动了企业产品研发；同时，有利于探讨校企合作下的大学生创新人才培养模式，为实现从大学生到工程师快捷培养提供了一条有效途径。

参考文献：

[1]王定华.走进美国教育[M].北京：人民教育出版社，2004.